摘要：焊接作为一种重要的材料加工的方法，在工业生产中占有着非常关键的地位。当前，大部分行业生产中仍以手工焊接为主，焊接效率低下，焊接质量难以保证，而且工人劳动强度大，劳动环境恶劣。焊接自动化和智能化是提高焊接效率，稳定焊接质量，减小工人劳动强度，改善劳动环境的必然要求。在机器人自动化焊接中，传感系统是非常重要的组成部分，其主要作用是导引初始焊缝位置和监测焊接过程状态，并提供焊接过程焊缝的形状和位置等特征信息，控制系统根据这些特征信息并对其进行处理，自动调整机器人末关节上焊枪的位置和焊接相关参数，从而实现机器人的自动化焊接。尤其是视觉传感技术在机器人焊接智能化中具有重要的作用，是实现机器人自动化焊接的关键技术。本文主要阐述了视觉传感技术的相关内容，并且探讨了其相关的应用，以供参考。
关键词：视觉传感技术；机器人；智能化焊接；研究现状
1视觉传感技术
焊接过程中的视觉传感技术是将环境信息转化为系统可识别的位置信息和
焊接过程信息，并对焊接过程进行控制的技术。视觉传感技术根据照明光源的不同，可分为主动视觉技术和被动视觉技术。
1.1主动视觉技术
主动视觉采用一些特殊的光源进行照明，光源投射到工件表面，经过漫反射进入CCD摄像机，形成特定的图像，计算机对该图像进行处理，得到焊接过程的相关信息．
1.2被动视觉技术
被动视觉没有外加光源，使用焊接弧光对焊接区域进行照明，获取熔池图像，因此，获取的信息不存在时域或空间滞后，同步性比较好。但是，电弧焊接过程产生的强弧光也会导致不能直接进行图像采集，通过滤光法和基值采像法可有效减少弧光对图像采集的干扰。滤光法通过选取焊接弧光中能量相对较低且噪声较少的波段进行滤光，基值采像法则在电流较低的基值时刻进行采像。通过图像处理和建模分析，得到熔池特征与焊接参数与焊接质量的关系，进而进行反馈控制，使机器人焊接过程具有可适应焊接条件变化的能力。另外，可以通过双目视觉进行立体视觉三维重建，如图１所示，开发一套双目视觉系统标定方法，可以实现宏观场景的识别，焊缝的轨迹规划及导引功能，并分析了双目立体视觉的误差来源。例如，上海交通大学机器人焊接智能化实验室通过被动视觉技术，结合有效的图像处理技术和创新的控制技术，实现了多种针对不同焊接工艺，应用背景的被动视觉焊缝跟踪及焊接质量控制系统，并成功应用于实践。
图１双目立体视觉的三维重建
2基于主动视觉的焊缝跟踪
基于构建的机器人激光视觉平台，需要对采集的激光条纹进行视觉处理，是激光跟踪的关键环节。主要涉及到激光条纹图像预处理（ROI选取、滤波处理、形态学处理及自适应阈值分割）、激光条纹中心线特征提取及典型焊缝试验验证。图2给出了完整图像或图像受电弧光干扰很小的情况下图像处理结果，可以看出针对弧焊常见的几种焊接坡口和焊缝形式，通过研制的视觉传感系统能够较好地获取焊缝中心特征点。然而实际的焊接过程中由于强烈的电弧光和飞溅的影响，导致部分图像噪声很大，上述算法不能稳定、可靠的获取焊缝特征信息，如图3所示。针对实际焊接过程中干扰图像，为了保证焊缝跟踪的连续性及可靠性，工程上通常采取两种方式处理，一是增大激光传感器的前视距离或加遮挡板，另外一种是从图像处理软件算法上进行改善，对这类图像记性筛选过滤。具体算法设计流程为：计算图像的平均灰度值，如果图像灰度值大于正常图像的一定比例（在此选取30%作为阈值）放弃该幅图像处理，进行下一幅图像处理；针对V型坡口的焊缝，设定焊缝宽度阈值，针对焊缝宽度特征尺寸小于设定阈值的情况下，舍弃当前处理图像，进行下一幅处图像处理；焊缝偏差具有连续性，相邻图像之间计算的偏差值比较接近，对于偏差值突变点（设定一定的阈值），舍弃当前处理图像，进行下一幅图像处理。计算出的焊缝偏差，一方面可设计控制器进行焊缝纠偏，另一方面针对工业机器人，结合机器人厂家提供的通讯协议，交给机器人控制器进行插补、轨迹纠偏。另外，ROS（机器人操作系统）作为一种分布式处理框架，能接收和发布各种传感信息，鉴于ROS制定了目前“四大家族”机器人开发的统一接口标准。在上述研制的视觉传感基础上，进一步针对摆动、变间隙的对接焊缝，基于FANUC机器人可识别的通讯协议，进行询问—回答的开发模式，询问内容包括：偏移量（X、Y、Z）、焊缝宽度（如间隙、gap）、错边（Mismatch）和面积等。
图3受弧光及飞溅干扰的激光条纹
3视觉传感技术的应用
自动化、智能化焊接系统的应用可以提高生产效率，提升焊接质量稳定性，减轻工人劳动强度，改善劳动环境，是制造业未来发展的趋势。目前，研究者针对自动化、智能化焊接系统在制造业中的应用开展了大量的研究并取得了一些成果。例如，在造船业中，中船重工716研究所联合上海交通大学针对大型造船多分段焊接开发了一套具有自主知识产权的智能化焊接系统，由远距离3D相机进行场景监控，，采用自主开发的激光视觉传感器进行焊接过程的规划和在线调整，可实现焊接过程的初始环境识别与导引，平焊、立焊的三维焊缝跟踪。
4结语
随着传感技术、图像处理技术和机器视觉理论的不断发展和更新，视觉传感在焊接装配检测、过程监控及接头质量评价等方面发挥越来越重要的作用。以视觉信息为载体的智能化焊接关键技术，极大地丰富和发展了焊接智能化技术的内涵，也为焊接制造从控形到控性的一体化研究提供技术积累。
参考文献
[1]宋天虎，刘永华，陈树君.关于机器人焊接技术的研发与应用之探讨[J].焊接，2016，518（8）：1-10.
[2]陈善本，吕娜.焊接智能化与智能化焊接机器人技术研究进展[J].电焊机，2013，43（5）：28-36.
论文作者:李菲
论文发表刊物:《科技新时代》2018年6期
论文发表时间:2018/8/14
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